JP6081431B2 - 差圧式高圧水電解装置 - Google Patents

Description

本発明は、水を電気分解し、酸素と前記酸素よりも高圧な水素とを発生させる差圧式高圧水電解装置に関する。

一般的に、燃料電池の発電反応に使用される燃料ガスとして、水素が使用されている。この水素は、例えば、水電解装置により製造されている。水電解装置は、水を電気分解して水素（及び酸素）を発生させるため、固体高分子電解質膜（イオン交換膜）を用いている。

固体高分子電解質膜の両面には、電極触媒層が設けられて電解質膜・電極構造体が構成されるとともに、前記電解質膜・電極構造体の両側には、給電体を配設して水電解セルが構成されている。

そこで、複数の水電解セルが積層された水電解装置では、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード給電体に水が供給されている。このため、電解質膜・電極構造体のアノード側では、水が分解されて水素イオン（プロトン）が生成され、この水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード側に移動し、カソード給電体で電子と結合して水素が製造されている。一方、アノード側では、水素とともに生成された酸素が、余剰の水を伴って水電解装置から排出されている。

この水電解装置として、水の電気分解によりアノード側に酸素を製造する一方、カソード側に前記酸素よりも高圧な水素を製造する差圧式高圧水電解装置が採用されている。具体的には、固体高分子電解質膜の両側に給電体が設けられ、前記給電体にセパレータが積層されるとともに、一方の給電体と一方のセパレータとの間には、水を供給する第１流路が形成されている。そして、他方の給電体と他方のセパレータとの間には、水が電気分解されて常圧よりも高圧な水素を得る第２流路が形成されている。

この種の差圧式高圧水電解装置において、高圧な第２流路が減圧される際、前記第２流路に連通するシール溝内を良好に減圧することができ、電解質膜の損傷を可及的に阻止することを目的として、例えば、特許文献１の電気化学装置が知られている。この電気化学装置では、第２流路に連通し、セパレータの積層方向に延在する高圧流体連通孔を備えている。

一方のセパレータは、高圧流体連通孔の外側を周回してシール部材が挿入されるシール溝と、前記高圧流体連通孔と前記シール溝とを連通する開口部と、を設けている。そして、他方のセパレータは、第２流路の外側を周回してシール部材が挿入されるシール溝と、前記第２流路と前記シール溝とを連通する開口部と、を設けている。

そこで、高圧流体連通孔が脱圧される際には、シール溝と前記高圧流体連通孔とを直接連通する開口部を介して、前記シール溝も良好に脱圧されている。これにより、脱圧時に、高圧流体連通孔とシール溝とに差圧が発生することがなく、前記シール溝から前記高圧流体連通孔に高圧流体が急激に移動することを確実に阻止することが可能になる、としている。

特開２０１０−１９６１３３号公報

本発明は、この種の技術に関連してなされたものであり、簡単且つ経済的な構成で、シール室に滞留する水素を、脱圧時に円滑に排出させることができ、シール部材及び電解質膜の損傷を確実に抑制することが可能な差圧式高圧水電解装置を提供することを目的とする。

本発明に係る差圧式高圧水電解装置は、複数の高圧水電解セルを備えている。高圧水電解セルは、電解質膜と、前記電解質膜を挟持するアノード給電体及びカソード給電体と、アノードセパレータとカソードセパレータとを備えている。アノードセパレータは、アノード給電体が収容されるアノード室を設ける一方、カソードセパレータは、カソード給電体が収容されるカソード室を設けている。カソード給電体とカソードセパレータとの間には、前記カソード給電体を電解質膜に押圧させる弾性部材が配置されている。

差圧式高圧水電解装置は、供給される水を電気分解し、アノード給電体側に酸素を発生させ且つカソード給電体側に前記酸素よりも高圧な水素を発生させる高圧水電解セルを備えている。そして、複数の高圧水電解セルが積層されて積層方向両端にエンドプレートが配設されるとともに、高圧な水素を前記積層方向に流通させる高圧水素連通孔が設けられている。

高圧水電解セルは、アノードセパレータと電解質膜との間に配置され、高圧水素連通孔を囲繞する連通孔部材を備え、前記連通孔部材は、前記高圧水素連通孔を周回してシールするシール部材が配置されるシール室を設けている。シール室と高圧水素連通孔との間には、連通孔部材毎に円筒形状の多孔質部材が配設されている。

また、本発明に係る差圧式高圧水電解装置では、シール室と高圧水素連通孔との間には、エンドプレート間に延在して円筒形状の多孔質部材が一体に配設されている。

本発明によれば、シール室と高圧水素連通孔との間には、連通孔部材毎に、又は、エンドプレート間に延在して、円筒形状の多孔質部材が配設されている。このため、高圧水素連通孔の脱圧時に、シール室に滞留する水素は、多孔質部材の内部空隙を通って円滑に排出することができる。従って、簡単且つ経済的な構成で、脱圧時にシール部材及び電解質膜が損傷することを確実に抑制することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る差圧式高圧水電解装置の斜視説明図である。 前記差圧式高圧水電解装置を構成する高圧水電解セルの分解斜視説明図である。 前記高圧水電解セルの、図２中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る差圧式高圧水電解装置を構成する高圧水電解セルの要部断面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る差圧式高圧水電解装置を構成する高圧水電解セルの要部断面説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る差圧式高圧水電解装置１０は、複数の高圧水電解セル１２が鉛直方向（矢印Ａ方向）又は水平方向（矢印Ｂ方向）に積層された積層体１４を備える。

積層体１４の積層方向一端（上端）には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａ及びエンドプレート２０ａが、上方に向かって、順次、配設される。積層体１４の積層方向他端（下端）には、同様にターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが、下方に向かって、順次、配設される。

差圧式高圧水電解装置１０は、押圧機構、例えば、矢印Ａ方向に延在する４本のタイロッド２２を介して円盤形状のエンドプレート２０ａ、２０ｂ間が一体的に締め付け保持され、積層方向に締結される。なお、差圧式高圧水電解装置１０は、エンドプレート２０ａ、２０ｂを端板として含む箱状ケーシング（図示せず）により一体的に保持される構成を採用してもよい。また、差圧式高圧水電解装置１０は、全体として略円柱体形状を有しているが、立方体形状等の種々の形状に設定可能である。

ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの側部には、端子部２４ａ、２４ｂが外方に突出して設けられる。端子部２４ａ、２４ｂは、配線２６ａ、２６ｂを介して電解電源２８に電気的に接続される。

図２及び図３に示すように、高圧水電解セル１２は、略円盤状の電解質膜・電極構造体３０と、前記電解質膜・電極構造体３０を挟持するアノードセパレータ３２及びカソードセパレータ３４とを備える。アノードセパレータ３２とカソードセパレータ３４との間には、電解質膜・電極構造体３０を囲繞して樹脂枠部材３６が配置される。

樹脂枠部材３６は、略リング形状を有するとともに、前記樹脂枠部材３６の両面には、シール部材３７ａ、３７ｂが設けられる。樹脂枠部材３６の直径方向一端には、積層方向（矢印Ａ方向）に互いに連通して、水（純水）を供給するための水供給連通孔３８ａが設けられる。樹脂枠部材３６の直径方向他端には、反応により生成された酸素及び未反応の水（混合流体）を排出するための水排出連通孔３８ｂが設けられる。

図１に示すように、積層方向最下位に配置される樹脂枠部材３６の側部には、水供給連通孔３８ａに連通する水供給口３９ａが接続される。積層方向最上位に配置される樹脂枠部材３６の側部には、水排出連通孔３８ｂに連通する水排出口３９ｂが接続される。

高圧水電解セル１２の中央部には、電解領域の略中央を貫通して積層方向に互いに連通し、高圧水素連通孔３８ｃが設けられる（図２及び図３参照）。高圧水素連通孔３８ｃは、反応により生成された高圧な水素（生成された酸素よりも高圧な水素）（例えば、１ＭＰａ〜８０ＭＰａ）を排出する。

アノードセパレータ３２及びカソードセパレータ３４は、略円盤状を有するとともに、例えば、カーボン部材等で構成される。アノードセパレータ３２及びカソードセパレータ３４は、その他、鋼板、ステンレス鋼板、チタン板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板をプレス成形してもよい。あるいは、切削加工した後に防食用の表面処理を施して構成してもよい。

電解質膜・電極構造体３０は、略リング形状を有する固体高分子電解質膜（電解質膜）４０を備える。固体高分子電解質膜４０は、リング形状を有する電解用のアノード給電体４２及びカソード給電体４４により挟持される。固体高分子電解質膜４０は、例えば、炭化水素（ＨＣ）系の膜又はフッ素系の膜により構成される。

固体高分子電解質膜４０は、略中央部に高圧水素連通孔３８ｃが形成される。固体高分子電解質膜４０の一方の面には、リング形状を有するアノード電極触媒層４２ａが設けられる。固体高分子電解質膜４０の他方の面には、リング形状を有するカソード電極触媒層４４ａが形成される。アノード電極触媒層４２ａは、例えば、Ｒｕ（ルテニウム）系触媒を使用するとともに、カソード電極触媒層４４ａは、例えば、白金触媒を使用する。

アノード給電体４２及びカソード給電体４４は、例えば、球状アトマイズチタン粉末の焼結体（多孔質導電体）により構成される。アノード給電体４２及びカソード給電体４４は、研削加工後にエッチング処理される平滑表面部を設けるとともに、空隙率が１０％〜５０％、より好ましくは、２０％〜４０％の範囲内に設定される。アノード給電体４２の外周縁部には、枠部４２ｅが嵌め込まれる。枠部４２ｅは、アノード給電体４２よりも緻密に構成する。なお、アノード給電体４２の外周部を緻密に構成することにより、前記外周部を枠部４２ｅとすることもできる。

アノードセパレータ３２は、アノード給電体４２が収容されるアノード室４５ａｎを設ける一方、カソードセパレータ３４は、カソード給電体４４が収容されるカソード室４５ｃａを設ける。

アノードセパレータ３２とアノード給電体４２との間（アノード室４５ａｎ）には、水流路部材４６が介装されるとともに、前記アノード給電体４２とアノード電極触媒層４２ａとの間には、保護シート部材４８が介装される。図２に示すように、水流路部材４６は、略円板形状を有し、外周部には、互いに対向して入口突起部４６ａ及び出口突起部４６ｂが形成される。

入口突起部４６ａには、水供給連通孔３８ａに連通する供給連結路５０ａが形成されるとともに、前記供給連結路５０ａは、水流路５０ｂに連通する（図３参照）。水流路５０ｂには、複数個の孔部５０ｃが連通しており、前記孔部５０ｃは、アノード給電体４２に向かって開口する。出口突起部４６ｂには、水流路５０ｂに連通する排出連結路５０ｄが形成され、前記排出連結路５０ｄは、水排出連通孔３８ｂに連通する。

保護シート部材４８は、内周がアノード給電体４２及びカソード給電体４４の内周よりも内方に配置されるとともに、外周位置が固体高分子電解質膜４０、アノード給電体４２及び水流路部材４６の外周位置と同一位置に設定される。保護シート部材４８は、アノード電極触媒層４２ａの積層方向に対向する範囲（電解領域）に設けられる複数の貫通孔４８ａを有する。保護シート部材４８は、電解領域の外方に枠部４８ｂを有する。枠部４８ｂには、例えば、長方形状の孔部（図示せず）が形成される。

アノードセパレータ３２と固体高分子電解質膜４０との間には、高圧水素連通孔３８ｃを囲繞する連通孔部材５２が配置される。連通孔部材５２は、略円柱形状を有し、軸方向両端には、リング状に切り欠いてシール室５２ａ、５２ｂが設けられる。シール室５２ａ、５２ｂには、高圧水素連通孔３８ｃを周回してシールするシール部材（Ｏリング）５４ａ、５４ｂが配置される。連通孔部材５２の固体高分子電解質膜４０に対向する端面には、保護シート部材４８が配置される溝部５２ｓが形成される。

シール室５２ａ、５２ｂと高圧水素連通孔３８ｃとの間には、円筒形状の多孔質部材５６が配設される。多孔質部材５６の中央部には、高圧水素連通孔３８ｃが形成される。多孔質部材５６は、アノードセパレータ３２と固体高分子電解質膜４０との間に介装される。多孔質部材５６は、セラミック製多孔質体、樹脂製多孔質体又はセラミックと樹脂との混合材料製多孔質体で形成されるが、その他、種々の材料を用いてもよい。

多孔質部材５６は、シール部材５４ａ、５４ｂを保護する機能を有しており、前記多孔質部材５６の気孔径Ｄは、引張り応力＝（外力×πＤ²／４）／πＤの計算式から得られる。例えば、外力が７７ＭＰａであり、引張り応力は、保護したいＯリングに係る応力を示すと、気孔径Ｄは、約３０μｍとなる。Ｏリングの気孔径Ｄは、該Ｏリングの破断強度未満に設定する必要があるからである。

図２及び図３に示すように、カソード室４５ｃａには、カソード給電体４４及び前記カソード給電体４４を固体高分子電解質膜４０に押圧させる荷重付与機構５８が配置される。荷重付与機構５８は、弾性部材、例えば、板ばね６０を備えるとともに、前記板ばね６０は、金属製の板ばねホルダ（シム部材）６２を介してカソード給電体４４に荷重を付与する。なお、弾性部材としては、板ばね６０の他、皿ばねやコイルスプリング等を使用することができる。

カソード給電体４４と板ばねホルダ６２との間には、導電シート６６が配置される。導電シート６６は、例えば、チタン、ＳＵＳ又は鉄等の金属シートにより構成されるとともに、リング形状を有し、カソード給電体４４と略同一の直径に設定される。

カソード給電体４４の中央部には、導電シート６６と固体高分子電解質膜４０との間に位置して絶縁部材、例えば、樹脂シート６８が配置される。樹脂シート６８は、カソード給電体４４の内周面に嵌合する。樹脂シート６８は、カソード給電体４４と略同一の厚さに設定される。樹脂シート６８としては、例えば、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）やポリイミドフィルム等が使用される。

樹脂シート６８とカソードセパレータ３４との間には、連通孔部材７０が配置される。連通孔部材７０は、円筒形状を有し、中央部に高圧水素連通孔３８ｃが形成される。連通孔部材７０の軸方向一端には、カソード室４５ｃａと高圧水素連通孔３８ｃとを連通する水素排出通路７１が形成される。

カソード室４５ｃａには、カソード給電体４４、板ばねホルダ６２及び導電シート６６の外周を周回してシール部材（Ｏリング）７２が配置される。シール部材７２の外周には、耐圧部材７４が配置される。耐圧部材７４は、略リング形状を有するとともに、外周部が樹脂枠部材３６の内周部に嵌合する。

このように構成される差圧式高圧水電解装置１０の動作について、以下に説明する。

図１に示すように、水供給口３９ａから差圧式高圧水電解装置１０の水供給連通孔３８ａに水が供給されるとともに、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの端子部２４ａ、２４ｂに電解電源２８を介して電圧が付与される。このため、図３に示すように、各高圧水電解セル１２では、水供給連通孔３８ａから供給連結路５０ａを通って水流路部材４６の水流路５０ｂに水が供給される。水は、複数個の孔部５０ｃからアノード給電体４２に供給され、前記アノード給電体４２内に移動する。

従って、水は、アノード電極触媒層４２ａで電気により分解され、水素イオン、電子及び酸素が生成される。この陽極反応により生成された水素イオンは、固体高分子電解質膜４０を透過してカソード電極触媒層４４ａ側に移動し、電子と結合して水素が得られる。

このため、カソード給電体４４の内部の水素流路に沿って水素が流動し、前記水素は、水素排出通路７１から高圧水素連通孔３８ｃに排出される。水素は、水供給連通孔３８ａよりも高圧に維持された状態で、高圧水素連通孔３８ｃを流れて差圧式高圧水電解装置１０の外部に取り出し可能となる。一方、反応により生成した酸素と未反応の水とは、水排出連通孔３８ｂから水排出口３９ｂを介して差圧式高圧水電解装置１０の外部に排出される。

次いで、差圧式高圧水電解装置１０の運転が停止される際、常圧側のアノード室４５ａｎと高圧側のカソード室４５ｃａとの差圧を解消させるために、前記カソード室４５ｃａに脱圧（減圧）処理が施される。

この場合、第１の実施形態では、図３に示すように、連通孔部材５２は、シール室５２ａ、５２ｂと高圧水素連通孔３８ｃとの間に、多孔質部材５６を配設している。このため、高圧水素連通孔３８ｃを脱圧する際に、シール室５２ａ、５２ｂに滞留する高圧水素は、多孔質部材５６の内部空隙（気孔）を通って円滑に前記高圧水素連通孔３８ｃに排出されている。従って、シール部材５４ａ、５４ｂは、膨張したり、損傷したりすることを良好に抑制される。

具体的には、多孔質部材５６の内部には、ミクロン単位の気孔を形成することができる。一方、例えば、機械加工による脱圧通路では、最小孔径が０．５ｍｍ程度であるため、シール部材５４ａ、５４ｂの損傷が惹起され易い。すなわち、多孔質部材５６を用いることにより、シール部材５４ａ、５４ｂの損傷を可及的に阻止することが可能になる。

これにより、第１の実施形態では、簡単且つ経済的な構成で、シール部材５４ａ、５４ｂ及び固体高分子電解質膜４０の損傷を確実に抑制することが可能になるという効果が得られる。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る差圧式高圧水電解装置８０を構成する高圧水電解セル８２の要部断面説明図を示す。

なお、第１の実施形態に係る差圧式高圧水電解装置１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

高圧水電解セル８２は、アノードセパレータ３２とカソードセパレータ３４との間に、高圧水素連通孔３８ｃと同心上に且つ前記高圧水素連通孔３８ｃよりも大径な孔部８４を一体に設ける。孔部８４には、多孔質部材８６が挿入されるとともに、前記多孔質部材８６は、図１に示すエンドプレート２０ａ、２０ｂ間に延在して複数個の高圧水電解セル８２に一体に挿入して配設される。矢印Ａ方向に延在して長尺な多孔質部材８６には、高圧水素連通孔３８ｃが形成される。

このように構成される第２の実施形態では、単一の多孔質部材８６が、複数個の高圧水電解セル８２に一体に挿入されるため、前記多孔質部材８６は、各高圧水電解セル８２の位置決め機能を有することができる。従って、差圧式高圧水電解装置８０の組み立て作業性が向上するとともに、部品点数の削減が容易に図られる。

しかも、第２の実施形態では、簡単且つ経済的な構成で、シール部材５４ａ、５４ｂ及び固体高分子電解質膜４０の損傷を確実に抑制することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図５は、本発明の第３の実施形態に係る差圧式高圧水電解装置９０を構成する高圧水電解セル９２の要部断面説明図を示す。

高圧水電解セル９２は、多孔質部材５６に代えて多孔質部材９４を備える。多孔質部材９４は、固体高分子電解質膜４０に対向する端面に、段差９６が設けられる。

このように構成される第３の実施形態では、シール部材５４ａとシール室５２ａの角部に滞留する高圧水素が、段差９６を通ってアノード室４５ａｎに円滑に排出されている。これにより、脱圧処理時に、シール室５２ａからの高圧水素の排出が良好に遂行されるとともに、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、８０、９０…差圧式高圧水電解装置
１２、８２、９２…高圧水電解セル １４…積層体
２８…電解電源 ３０…電解質膜・電極構造体
３２…アノードセパレータ ３４…カソードセパレータ
３６…樹脂枠部材
３７ａ、３７ｂ、５４ａ、５４ｂ、７２…シール部材
３８ａ…水供給連通孔 ３８ｂ…水排出連通孔
３８ｃ…高圧水素連通孔 ３９ａ…水供給口
３９ｂ…水排出口 ４０…固体高分子電解質膜
４２…アノード給電体 ４２ａ…アノード電極触媒層
４２ｅ、４８ｂ…枠部 ４４…カソード給電体
４４ａ…カソード電極触媒層 ４５ａｎ…アノード室
４５ｃａ…カソード室 ４６…水流路部材
５２、７０…連通孔部材 ５２ａ、５２ｂ…シール室
５６、８６、９４…多孔質部材 ５８…荷重付与機構
７１…水素排出通路 ８４…孔部
９６…段差

Claims (2)

1. 電解質膜と、
   前記電解質膜を挟持するアノード給電体及びカソード給電体と、
   前記アノード給電体が収容されるアノード室を設けるアノードセパレータと、
   前記カソード給電体が収容されるカソード室を設けるカソードセパレータと、
   前記カソード給電体と前記カソードセパレータとの間に配置され、前記カソード給電体を前記電解質膜に押圧させる弾性部材と、
   を有し、供給される水を電気分解し、前記アノード給電体側に酸素を発生させ且つ前記カソード給電体側に前記酸素よりも高圧な水素を発生させる高圧水電解セルを備え、複数の前記高圧水電解セルが積層されて積層方向両端にエンドプレートが配設されるとともに、前記高圧な水素を前記積層方向に流通させる高圧水素連通孔が設けられる差圧式高圧水電解装置であって、
   前記高圧水電解セルは、前記アノードセパレータと前記電解質膜との間に配置され、前記高圧水素連通孔を囲繞する連通孔部材を備え、
   前記連通孔部材は、前記高圧水素連通孔を周回してシールするシール部材が配置されるシール室を設けるとともに、
   前記シール室と前記高圧水素連通孔との間には、該連通孔部材毎に円筒形状の多孔質部材が配設されることを特徴とする差圧式高圧水電解装置。
2. 電解質膜と、
   前記電解質膜を挟持するアノード給電体及びカソード給電体と、
   前記アノード給電体が収容されるアノード室を設けるアノードセパレータと、
   前記カソード給電体が収容されるカソード室を設けるカソードセパレータと、
   前記カソード給電体と前記カソードセパレータとの間に配置され、前記カソード給電体を前記電解質膜に押圧させる弾性部材と、
   を有し、供給される水を電気分解し、前記アノード給電体側に酸素を発生させ且つ前記カソード給電体側に前記酸素よりも高圧な水素を発生させる高圧水電解セルを備え、複数の前記高圧水電解セルが積層されて積層方向両端にエンドプレートが配設されるとともに、前記高圧な水素を前記積層方向に流通させる高圧水素連通孔が設けられる差圧式高圧水電解装置であって、
   前記高圧水電解セルは、前記アノードセパレータと前記電解質膜との間に配置され、前記高圧水素連通孔を囲繞する連通孔部材を備え、
   前記連通孔部材は、前記高圧水素連通孔を周回してシールするシール部材が配置されるシール室を設けるとともに、
   前記シール室と前記高圧水素連通孔との間は、前記エンドプレート間に延在して円筒形状の多孔質部材が一体に配設されることを特徴とする差圧式高圧水電解装置。

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